一种纯铝基电池极耳用正极铝箔材料的制造方法与流程

1.本发明涉及铝基电池技术领域，具体涉及一种纯铝基电池极耳用正极铝箔材料的制造方法。


背景技术：

2.极耳，是锂离子聚合物电池产品的一种原材料，用以作为动力电池、3c电池导电连接用途的材料。例如生活中用到的手机电池、蓝牙电池、笔记本电池等都需要用到极耳。电池是分正负极的，极耳就是从电芯中将正负极引出来的金属导电体，通俗的说电池正负两极的耳朵是在进行充放电时的接触点。这个接触点并不是我们看到的电池外表的那个铜片，而是电池内部的一种连接。极耳分为三种材料，电池的正极使用铝(al)材料，负极使用镍(ni)材料，负极也有铜镀镍(ni-cu)材料，它们都是由胶片和金属带两部分复合而成。极耳材料使用工况的特殊性使其对材料的抗拉强度、电导率、焊接强度、折弯等特性提出严苛的使用要求。主要研究方向则立足于降低电阻率、材料强度控制在一定基础上、同时具备较高的折弯特性几方面展开。
3.1xxx系铝合金具有优良的导电性和较高的塑性，故被广泛用于强度不高的导电体材料中，同时为获得良好的塑性，要求材料具有细小、均匀的晶粒组织特性。这类产品一般以纯铝为基础，为了同时保证强度和折弯的提高，则需要在纯铝基的基础上通过合金化，然后通过加工和热处理等工艺方法来实现强度和折弯、塑性的同步提高。
4.现有用于生产新能源动力电池、3c数码电池极耳用的铝带材料，主要的生产工艺流程分为两种：铸轧法和热轧法。铸轧法如在专利cn201811509825.0中公开了一种新能源动力电池极耳用铝带材料的制备方法，即铸轧法直接生产出7mm左右的铸轧卷，经冷轧退火后得到铝箔坯料；另一种是半连续铸造成锭，铣面后热轧开坯，再冷轧成坯料，即热轧法，如专利cn202110684014.x中公开的一种软包锂电池极耳正极用1系铝合金箔材的制备方法。两种生产工艺生产铝箔坯料目前均有使用，各有优缺点。热轧法组织均匀，缺陷少，有利于轧制；铸轧法生产的坯料，生产流程短，更适宜轧制更薄的板材或箔材。
5.铸轧法生产坯料其生产工艺也分为两种，一种是用铝锭重熔进行铸轧，一种是直接采用电解熔融的铝液进行铸轧，与重熔用铝锭铸轧生产铝箔坯料相比，电解铝液直接铸轧生产铝箔坯料还有一些技术问题有待解决。由于电解铝液的温度一般都在930℃左右，即使转运到铸造车间，温度也会保持在860～900℃之间，铝在电解时所用的原辅材料含水量大，电解后铝液温度高，铝液中气体含量尤其是氢气含量高，因此在铸轧前除气工序就显得尤为重要，一旦除气不利，铸轧坯料的含气量就会超过标准要求或者造成后续加工板料的针孔度增加，产品不合格率上升，甚至不能加工到材料设计的尺寸。
6.虽然目前铸轧法生产铝箔工艺已经较为完善，可以降低生产成本，但由于铸轧工艺本身的工艺特点，先天工艺条件导致铸轧板内夹杂等缺陷较多，产品表面非常容易出现针孔、起皮等缺陷，以及成份偏析问题导致的产品不合格，对于产品质量要求较高的中高端铝极耳材料而言并不适合。
7.现有技术通过热轧法生产的铝箔产品，其抗拉强度偏低仅70-80mpa，可能影响后续分切加工质量控制。另外其对于极耳材料至关重要的耐电解液性能及导电性能未作出明确的控制和具体指标说明。随着新能源电池行业的飞速发展，对于极耳材料的品质也提出了更高更为严苛的要求，促使极耳用铝箔材料向着高强度、高折弯、高导电、高表面的要求不断进步。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种纯铝基电池极耳用正极铝箔材料的制造方法，采用以99.90％为基础的原料，严格控制主元素摄入量，并通过均热、热轧、冷轧、箔轧以及退火的工艺控制，提升产品的力学性能、导电性能和组织均匀性。
9.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
10.一种纯铝基电池极耳用正极铝箔材料的制造方法，该方法采用半连续铸造生产板状铸锭，首先对其进行热轧，后续经冷加工、热处理、精整生产获得所述纯铝基电池极耳用正极铝箔材料；该方法包括如下步骤：
11.(1)热轧：纯铝铸锭经均热处理后进行热轧，开始热轧温度为520～560℃，终轧温度控制为270～300℃，热轧道次为17～21道次，卷取道次的压下率控制在40～60％，轧制后得到厚度为5～7mm的热轧卷材；
12.(2)开坯热轧卷经过2～3道次冷轧，得到2.0～3.5mm硬态冷轧卷；
13.(3)中间退火：中间退火温度控制400～450℃，保温时间6～12h。
14.(4)步骤(3)中间退火后经过冷轧4～8道次至0.1～0.4mm成品厚度，得到箔面粗糙度ra值为0.15～0.30μm的硬态箔卷成品。
15.(5)硬态箔卷成品经成品退火后得到厚度0.1～0.4mm、抗拉强度≥80mpa的软态箔卷成品。
16.上述步骤(1)中，所述纯铝铸锭的制备过程为：以纯度≥99.90wt.％的铝锭为原料进行熔炼，加入占铝熔体0.43-0.45wt.％的fe和0.13-0.16wt.％的si，熔体经铸造后获得所述纯铝铸锭，该纯铝铸锭中al含量≥99.30wt.％。
17.上述步骤(1)中，所述均热处理过程为：铸锭在550～610℃进行均热处理，保温10～20h；均热的主要目的为消除铸造过程缺陷，以及成份偏析，使组织及成份充分均匀化，并且有利于热轧轧制。
18.上述步骤(1)热轧过程中，轧制速度控制为60～120m/min。
19.所述中间退火(第一次退火)后至成品退火(第二次退火)间的冷轧加工率＞80％。
20.上述步骤(4)冷轧后得到的软态箔卷成品，经清洗、烘干、剪切(分切)后，进行步骤(5)成品退火过程。
21.所述软态箔卷成品清洗时选择闪点在30-70℃、干点≤220℃的清洗剂(油)，以达到快速挥发的目的，清洗速度控制在60-100m/min，保证箔面烘干，减少清洗剂(油)的残留；烘干时将烘干箱温度控制为90-130℃；清洗烘干后的成品箔卷转往剪切工序，根据指定产品宽度规格进行分切，边部毛刺＜0.1mm；分切后的箔卷进行步骤(5)成品退火过程。
22.上述步骤(5)中，成品退火温度300～400℃，保温时间4-10h。
23.上述步骤(5)成品退火中，在保护性气体氮气或氩气下进行真空退火。
24.本发明设计原理及有益效果如下：
25.本发明主要使用热轧法生产al含量为99.30％以上(具体化学成分为(wt.％)：fe：0.43-0.45％，si：0.13-0.16％，cu＜0.01％，mn＜0.005％，zn＜0.005％，mg＜0.005％，ga＜0.01％，ti：0.015-0.025％，其他单个杂质元素＜0.01％，余量为al)的电池极耳产品，重点是以纯铝基al％≥99.90％原料控制较低的杂质元素含量，通过热轧及后续加工工艺控制优良的产品表面质量及晶粒组织均匀性，解决成份偏析、第二相颗粒分布不均等导致的极耳产品出现的抗电解液性能差、电阻率过高的问题。
26.这里需要说明的是，一般来讲，根据铝箔的厚度区分铝极耳材料的种类，＜0.2mm属于3c数码极耳范畴(主要规格0.100mm、0.125mm、0.150mm)，＞0.2mm属于动力极耳范畴(主要规格0.3mm、0.4mm)。本发明同时兼容两类产品的使用要求，得到具备优异性能的0.1mm-0.4mm高导电、高折弯、高表面的极耳正极铝带材料。
27.相较于已有技术通过热轧法生产铝箔坯料，本发明使用单机架热轧机将板锭轧制热轧卷厚度5-7mm，后而重点控制中间退火(第一次退火)后至成品退火(第二次退火)间的冷轧加工率＞80％，严格控制成品退火温度及保温时间，最终产品得到细小、均匀的晶粒组织，平均晶粒尺寸40μm以下、晶粒度级数指数＞6级，保证塑性指标的同时将材料抗拉强度提升至80-90mpa，高强度、高塑性的产品表现，可一定程度降低铝箔在下游客户生产时所遇到的分切难度(最窄分切至1mm宽度)，避免出现粘刀、板型差的质量问题。
附图说明
28.图1为实施例1极耳铝带产品的实施例表面晶粒度大小及分布示意图。
具体实施方式
29.为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
30.本发明提供一种纯铝基电池极耳用正极铝箔材料的制造方法，该方法采用半连续铸造生产板锭，通过热轧法及后续冷加工、热处理、精整生产的纯铝基电池极耳用正极铝箔材料的制造方法，适用于0.1mm-0.4mm规格厚度的软态成品。具体生产工艺如下：
31.1.铸锭在550℃～610℃温度范围内进行均热，保温10-20h，均热的主要目的为消除铸造过程缺陷，以及成份偏析，使组织及成份充分均匀化，并且有利于热轧轧制。
32.2.在520℃～560℃温度范围内开始热轧，终轧温度应控制在270℃～300℃，热轧道次为17-21道次，卷取道次的压下率控制在40％-60％之间，目的使晶粒破碎、细化中部组织，轧制速度需保证在一定范围内(60m/min-120m/min)，配合乳液润滑控制带材温度，减少化合物析出，轧制得到厚度为5mm～7mm的热轧卷材，注意压下量设计保证不出现表面粘铝。
33.3.开坯热轧卷经过2-3道次冷轧，得到2.0-3.5mm硬态冷轧卷，完成切边、清洗保证边部质量防止后续轧制断带缺陷，确保表面烘干，减少清洗剂(油)的残留后进行中间退火。
34.4.中间退火温度控制400℃-450℃，保温时间6-12h，消除加工硬化，以及消除应力集中现象，保证产品性能。
35.5.退火后经过冷轧4-8道次生产至0.1mm-0.4mm成品厚度，得到箔面粗糙度ra值0.15-0.30um的硬态成品。
36.中间退火(第一次退火)后至成品退火(第二次退火)间的冷轧加工率＞80％，增大金属内部位错密度，充分发挥冷变形强化的效果，提高材料成品退火前硬态强度，严格控制成品退火温度及保温时间，最终得到抗拉强度≥80mpa的o态成品。
37.6.将成品箔卷进行清洗，清洗剂(油)选择闪点在30℃-70℃、干点≤220℃，以达到快速挥发的目的，清洗速度控制在60-100m/min，保证箔面烘干，减少清洗剂(油)的残留，烘干箱控制在90℃-130℃。
38.7.清洗后的成品箔卷转往剪切工序，根据客户指定产品宽度规格进行分切，边部毛刺＜0.1mm。
39.8.将分切后的箔卷进行成品退火，使用保护性气体(氮气或氩气)真空退火，成品退火温度300℃-400℃，保温时间4-10h。
40.9.完成成品退火后，复卷检查表面质量，检验力学性能合格后包装。成品退火气氛选择保护性气体氮气或氩气，以便防止退火时的箔面氧化，以及减少箔面残留油品的氧化在箔面附着，快速挥发，并形成均匀的氧化膜。
41.实施例1：
42.本实施例制备纯铝基电池极耳用正极铝箔材料的过程如下：
43.1、板锭均热处理：按照表1成分控制将铸锭在605℃进行均热保温8h，后降温至550℃保温4h。
44.表1铸锭成分(wt.％)
45.fesicumnznmggatial％0.44150.14690.00060.00060.00170.00080.00870.0218≥99.30
46.2、热轧：铸锭开轧温度540℃，轧制19道次至7.0mm厚度，卷取道次压下率40％-60％，轧制速度60m/min-100m/min，得到终轧温度285℃的热轧卷。
47.3、一次冷轧：热轧卷经过2道次冷轧轧制得到3.0mm硬态冷轧板带，轧辊粗糙度0.45μm，轧制速度300m/min，中间退火前使用60#清洗油对板带进行清洗，卷外圈钢带打紧。
48.4、中间退火：采用氮气退火炉按照6h升温至400℃，保温8h，出炉冷却。
49.5、二次冷轧：将中间退火后的铝卷继续轧制5道次得到0.4mm成品卷，轧辊粗糙度0.25μm，轧制速度500m/min。
50.6、清洗：选择60#清洗油配合软毛刷辊对板带进行清洗，清洗速度100m/min，烘干箱温度控制在100℃，保证清洗后的铝卷表面清洁、干燥。
51.7、成品退火：采用氮气退火炉按照6h升温至400℃，保温8h，出炉冷却。
52.8、倒卷进行表面质量检查，得到电池极耳用正极铝带成品。该产品具有细小、均匀的晶粒组织，平均晶粒尺寸40μm以下、晶粒度级数指数＞6级(图1)，保证塑性指标的同时将材料抗拉强度提升至80-90mpa。产品具体性能如下表2。
53.表2实施例1正极铝带成品性能
[0054][0055]
实施例2：
[0056]
1、板锭均热处理：按照表3成分控制将铸锭在605℃进行均热保温8h，后降温至550℃保温4h。
[0057]
表3铸锭成分(wt.％)
[0058]
fesicumnznmggatial％0.43560.13820.00060.00060.00190.00070.00910.0215≥99.30
[0059]
2、热轧：铸锭开轧温度540℃，轧制19道次至7.0mm厚度，卷取道次压下率40％-60％，轧制速度60m/min-100m/min，得到终轧温度285℃的热轧卷。
[0060]
3、一次冷轧：热轧卷经过2道次冷轧轧制得到3.0mm硬态冷轧板带，轧辊粗糙度0.45um，轧制速度300m/min，中间退火前使用60#清洗油对板带进行清洗，卷外圈钢带打紧。
[0061]
4、中间退火：采用氮气退火炉按照6h升温至400℃，保温8h，出炉冷却。
[0062]
5、二次冷轧：将中间退火后的铝卷继续轧制5道次得到0.25mm冷轧卷，轧辊粗糙度0.25um，轧制速度500m/min。
[0063]
6、箔轧：再进行2道次箔轧生产，轧辊粗糙度0.20um，轧制速度500m/min，得到0.1mm厚度的铝箔成品。
[0064]
7、清洗：将成品箔卷进行清洗，选择60#清洗油，清洗速度100m/min，烘干箱温度控制在100℃，保证清洗后的铝卷表面清洁、干燥。
[0065]
8、剪切：将清洗后的箔卷根据客户指定宽度规格进行分切，边部毛刺＜0.1mm。
[0066]
9、成品退火：采用真空退火炉(氩气)按照3h升温至300℃，保温6h，真空度控制要求45000-50000pa，出炉冷却。
[0067]
10、完成成品退火后，复卷检查表面质量，检验力学性能得到得到电池极耳用正极铝箔成品，该产品具有细小、均匀的晶粒组织，平均晶粒尺寸40μm以下、晶粒度级数指数＞6级，保证塑性指标的同时将材料抗拉强度提升至80-90mpa。具体性能如下表4。
[0068]
表4实施例2正极铝带成品性能
[0069][0070]
本发明的有益效果如下：
[0071]
(1)采用热轧法能有效避免铸轧法带来的表面质量如针孔、起皮等缺陷，以及解决成份偏析、第二相颗粒分布不均等问题。
[0072]
(2)采用纯铝al％≥99.90％为基础原料，减少低纯度产品第二相粒子不均匀性，控制杂质元素含量低，减少金属化合物析出对产品耐蚀性、导电性能的不利影响。达到材料抗电解液性能≥1.7n/mm、电阻率≤2.8*10-8
ω
·
m的优良水平。
[0073]
(3)本发明采用国内较为普遍的单机架热轧机生产高强度、高塑性、高表面的极耳正极铝带材料的方法，通过材料热、冷轧加工工艺及热处理工艺控制，得到干净、光滑，纹理清晰一致材料表面，达因值≥35。组织性能方面，达到晶粒度级数指数＞6级，抗拉强度80-90mpa，延伸率：≥35％(动力极耳)、≥25％(数码极耳)，折弯性能(180
°
)：≥8次(动力极耳)、≥10次(数码极耳)，hv硬度23-28等一系列技术要求。